RC吸收計(jì)算應(yīng)用

1、一種有效的反激鉗位電路設(shè)計(jì)方法日期：2006-6-27來(lái)源：電源技術(shù)應(yīng)用  作者：姜德來(lái)， 張曉峰， 呂征宇字體：大 中 小 0 引言    單端反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入輸出電氣隔離、電壓升降范圍寬、易于多路輸出、可靠性高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。然而，由于漏感影響，反激變換器功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)將引起電壓尖峰，必須用鉗位電路加以抑制。由于RCD鉗位電路比有源鉗位電路更簡(jiǎn)潔且易實(shí)現(xiàn)，因而在小功率變換場(chǎng)合RCD鉗位更有實(shí)用價(jià)值。 1 漏感抑制    變壓器的漏感是不可消除的，但可以通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和繞制使之減

2、小。設(shè)計(jì)和繞制是否合理，對(duì)漏感的影響是很明顯的。采用合理的方法，可將漏感控制在初級(jí)電感的2左右。    設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合變壓器磁芯的選擇和初級(jí)匝數(shù)的確定，盡量使初級(jí)繞組可緊密繞滿磁芯骨架一層或多層。繞制時(shí)繞線要盡量分布得緊湊、均勻，這樣線圈和磁路空間上更接近垂直關(guān)系，耦合效果更好。初級(jí)和次級(jí)繞線也要盡量靠得緊密。2 RCD鉗位電路參數(shù)設(shè)計(jì)2.1 變壓器等效模型    圖1為實(shí)際變壓器的等效電路，勵(lì)磁電感同理想變壓器并聯(lián)，漏感同勵(lì)磁電感串聯(lián)。勵(lì)磁電感能量可通過(guò)理想變壓器耦合到副邊，而漏感因?yàn)椴获詈?，能量不能傳遞到副邊，如果不采取措施，漏感將

3、通過(guò)寄生電容釋放能量，引起電路電壓過(guò)沖和振蕩，影響電路工作性能，還會(huì)引起EMI問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀器件，為抑制其影響，可在變壓器初級(jí)并聯(lián)無(wú)源RCD鉗位電路，其拓?fù)淙鐖D2所示。2.2 鉗位電路工作原理    引入RCD鉗位電路，目的是消耗漏感能量，但不能消耗主勵(lì)磁電感能量，否則會(huì)降低電路效率。要做到這點(diǎn)必須對(duì)RC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，下面分析其工作原理：    當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，漏感Lk釋能，D導(dǎo)通，C上電壓瞬間充上去，然后D截止，C通過(guò)R放電。實(shí)驗(yàn)表明R或C值越小就會(huì)這樣，R太小，放電就快，C太小很快充滿，小到一定程度就會(huì)這樣回到零。實(shí)驗(yàn)表明，

4、C越大，這兒就越平滑均是將反射電壓吸收了部分就是反射電壓    1)若C值較大，C上電壓緩慢上升，副邊反激過(guò)沖小，變壓器能量不能迅速傳遞到副邊，見圖3(a)；2)若C值特別大，電壓峰值小于副邊反射電壓，則鉗位電容上電壓將一直保持在副邊反射電壓附近，即鉗位電阻變?yōu)樗镭?fù)載，一直在消耗磁芯能量，見圖3(b)； 3)若RC值太小，C上電壓很快會(huì)降到副邊反射電壓，故在St開通前，鉗位電阻只將成為反激變換器的死負(fù)載，消耗變壓器的能量，降低效率，見圖3(c)：    4)如果RC值取得比較合適，使到S1開通時(shí)，C上電壓放到接近副邊反射電壓，到下次導(dǎo)

5、通時(shí)，C上能量恰好可以釋放完，見圖3(d)，這種情況鉗位效果較好，但電容峰值電壓大，器件應(yīng)力高。    第2)和第3)種方式是不允許的，而第1)種方式電壓變化緩慢，能量不能被迅速傳遞，第4)種方式電壓峰值大，器件應(yīng)力大?？烧壑蕴幚?，在第4)種方式基礎(chǔ)上增大電容，降低電壓峰值，同時(shí)調(diào)節(jié)R，使到S1開通時(shí)，C上電壓放到接近副邊反射電壓，之后RC繼續(xù)放電至S1下次開通，如圖3(e)所示。本人認(rèn)為此分析清楚地說(shuō)明RC放電時(shí)間常數(shù)要大于開關(guān)周期，至少要大于截止時(shí)間，也就是RC振蕩頻率小于開關(guān)頻率。2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)    S1關(guān)斷時(shí)，Lk釋能給C

6、充電，R阻值較大，可近似認(rèn)為L(zhǎng)k與C發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振周期為TLC=2，經(jīng)過(guò)14諧振周期，電感電流反向，D截止，這段時(shí)間很短。由于D存在反向恢復(fù)，電路還會(huì)有一個(gè)衰減振蕩過(guò)程，而且是低損的，時(shí)間極為短暫，因此叮以忽略其影響?？傊?，C充電時(shí)間是很短的，相對(duì)于整個(gè)開關(guān)周期，可以不考慮。本人認(rèn)為這講的極有道理，開關(guān)管截止時(shí)間里充電過(guò)后就要放電，所以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中如果R太小還沒到開關(guān)管導(dǎo)通C的電已放完了，故出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)，這時(shí)會(huì)消耗反射電壓的能量，所以R的取值一定要使C的放電電壓在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)不小于反射電壓。在進(jìn)入到導(dǎo)通時(shí)間后C的電壓為負(fù)值，千萬(wàn)不要認(rèn)為是某個(gè)電壓對(duì)C反向充電，本人認(rèn)為是開關(guān)管導(dǎo)通后呈現(xiàn)的

7、低電位。    對(duì)于理想的鉗位電路工作方式，見圖3(e)。S1關(guān)斷時(shí)，漏感釋能，電容快速充電至峰值Vcmax，之后RC放電。由于充電過(guò)程非常短，可假設(shè)RC放電過(guò)程持續(xù)整個(gè)開關(guān)周期。    RC值的確定需按最小輸入電壓（但有的書上說(shuō)是按最大值，實(shí)際測(cè)試表明似乎應(yīng)是最大值），最大負(fù)載，即最大占空比條件工作選取，否則，隨著D的增大，副邊導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)增加，鉗位電容電壓波形會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)，鉗位電路將消耗主勵(lì)磁電感能量。    對(duì)圖3(c)工作方式，峰值電壓太大，現(xiàn)考慮降低Vcmax。Vcmax只有最小值限制，必須大于副

8、邊反射電壓    可做線性化處理來(lái)設(shè)定Vcmax，如圖4所示，由幾何關(guān)系得        為保證S1開通時(shí)，C上電壓剛好放到需滿足        將(1)式代入(2)式可得     對(duì)整個(gè)周期RC放電過(guò)程分析，有        根據(jù)能量關(guān)系有        式中：IpkLk釋能給C的電流峰值將式(1

9、)和式(4)代人式(5)，得同理這公式有錯(cuò)誤應(yīng)是除以LnDon.    結(jié)合式(3)，得應(yīng)是    電阻功率選取依據(jù)        式中：fs為變換器的工作頻率。3 實(shí)驗(yàn)分析    輸入直流電壓30(1±2)v，輸出12VlA，最大占空比Dmax=0.45，采用UC3842控制，工作于DCM方式，變壓器選用CER28A型磁芯，原邊匝數(shù)為24匝，副邊取13匝。有關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖5圖8所示。    圖7顯示在副邊

10、反射電壓點(diǎn)沒有出現(xiàn)平臺(tái)，說(shuō)明結(jié)果與理論分析吻合。4 結(jié)語(yǔ)    按照文中介紹的方法設(shè)計(jì)的鉗位電路，可以較好地吸收漏感能量，同時(shí)不消耗主勵(lì)磁電感能量。經(jīng)折衷優(yōu)化處理，既抑制了電容電壓峰值，減輕了功率器件的開關(guān)應(yīng)力，又保證了足夠電壓脈動(dòng)量，磁芯能量可以快速、高效地傳遞，為反激變換器的設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)。網(wǎng)上相關(guān)人員討論：1關(guān)于吸收電路的問(wèn)題，很有分析的必要，我也曾對(duì)此仔細(xì)分析過(guò)。我再分析一下，你可以按照這個(gè)思路自己進(jìn)行計(jì)算。 開關(guān)管漏極上的電壓由三部分組成：電源電壓，反擊感應(yīng)電壓(等于輸出電壓除以雜比)，漏感沖擊電壓。 吸收電路，一定要讓他只吸收漏感沖擊電壓，而不要

11、對(duì)另外電壓起作用，那樣不僅會(huì)增大吸收電阻的負(fù)擔(dān)，還會(huì)降低開關(guān)電源的效率。 首先計(jì)算吸收電阻的功耗，如果能做到只對(duì)漏感能量吸收，那么他的功率容量應(yīng)該是漏感功率的1.5-2倍。 漏感的量能為0.5*Ls*Ip*Ip*f，f=工作頻率，Ls=漏感，Ip關(guān)斷時(shí)的開關(guān)管峰值電流，這樣算出來(lái)的結(jié)果是很準(zhǔn)確的。 由于吸收電容的另一端是接在正電源上的，所以它的電壓只有兩部分：反擊感應(yīng)電壓(等于輸出電壓除以雜比)，漏感沖擊電壓。電壓是一個(gè)微分波形，也就是電容放電波形，隨著放電，電壓會(huì)越來(lái)越低，當(dāng)開關(guān)管的截止期結(jié)束時(shí)，一定不要讓電壓下降到反激感應(yīng)電壓以下，否則就會(huì)損耗“本體”能量。 再計(jì)算吸收元件的數(shù)值，電容太小

12、時(shí)，漏感能量灌入后，電壓會(huì)突升的太高，有可能擊穿開關(guān)管，可以根據(jù)你的開關(guān)管耐壓，和你希望的振鈴高度，確定一個(gè)峰值電壓，比如100伏，截止期結(jié)束時(shí)，我們給他定一個(gè)終止電壓，比如50伏，這樣，就可以計(jì)算出吸收電容的數(shù)值來(lái)： 原理是，電容電壓變化量所導(dǎo)致的能量差 = 一個(gè)周期的漏感能量。（上面的公式5） 假設(shè)反激感應(yīng)電壓為U，那么電容電壓的最大值就是(U+100)，最小值就是(U+50)，電容中的能量有一個(gè)計(jì)算公式，Ec=0.5*C*U*U， 所以，能量差就是：Ech-Ecl=0.5*C*(U+100)*(U+100)-(U+50)*(U+50)，U是已知的，能量差也是已知的，電容還算不出來(lái)嗎？ 最

13、后計(jì)算吸收電阻。電容放電公式：u=Uo*exp(-t/)，t/=-ln(U+50)/(U+100)經(jīng)本人推算應(yīng)是t/=-ln(U+100)/(U+50)，或-t/=-ln(U+50)/(U+100)，掉了個(gè)負(fù)號(hào)原文作者在發(fā)貼時(shí)可能筆誤，t=截止期時(shí)間(按正常工作時(shí)的截止時(shí)間計(jì)算)，可以算出，=RC吸收時(shí)間常數(shù)，那么吸收電阻不也就出來(lái)嗎？本人認(rèn)為這個(gè)講的有道理.2.按上述理論進(jìn)行計(jì)算： 變壓器初級(jí)電感L=632uH，漏感Llou= 29uH。    先算Ip:   假定最大輸出功率時(shí)是DCM模式.      

14、;        則  Pin = 0.5*Ls*Ip*Ip*f                    Ip  = (Pin/0.5*Ls*f)(0.5) = (P0/*0.5*Ls*f)(0.5)          &

15、#160;           = (150/0.85*0.5*623*10(-6)*70*10(3)                      = 2.7A   漏感的能量為0.5*Ls*Ip*Ip*f，f=工作頻率，Ls=漏感，Ip關(guān)斷時(shí)的開關(guān)管峰值電流  

16、0;          Wlou= 0.5*Ls*Ip*Ip*f                 = 0.5 * 29*10(-6) * 2.7 * 2.7 * 70*10(3) = 7.3 W     由上面漏感能量數(shù)值可看出，漏感能量太大了，如果此能量全都由電阻來(lái)消耗，按兩倍功率計(jì)算，要15W的

17、電阻。這是無(wú)法辦到的。        這么大的功耗，從上面計(jì)算可以看出，是由于初級(jí)Ip太大造成的。如果是幾十W的電源，那么功耗就可以接受了。     對(duì)以上結(jié)果，請(qǐng)問(wèn)計(jì)算有問(wèn)題沒有？有什么辦法？3是的，這個(gè)功耗是太大，漏感功耗沒有別的去處，只能消耗在吸收電阻上。像這種功率較大的開關(guān)電源，一般都是工作在連續(xù)狀態(tài)，否則，開關(guān)管的功率容量和磁芯的功率容量都得不到充分利用，還有一個(gè)問(wèn)題，就是工作在不連續(xù)或者臨界狀態(tài)的變壓器，由于其磁通變化量太大，變壓器的發(fā)熱量也是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。我上面沒說(shuō)，

18、你的初級(jí)電感量太小，變壓器可能工作在非連續(xù)狀態(tài)。增大電感量，初級(jí)電流自然就降下來(lái)了。你可以這樣計(jì)算：讓磁通的變化量（p-p）/磁通平均值=0.3左右。 另外，如果電源的安全系數(shù)要求不是太高（醫(yī)療儀器要求高），可以適當(dāng)減小初次級(jí)之間的絕緣厚度，以減小漏感，你的漏感量在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，但不是特別的小，大功率的電源，漏感就是個(gè)很麻煩的問(wèn)題4.你好，非常感謝。 初級(jí)電感和漏感的數(shù)值在上面第十貼中寫出來(lái)了，我是剛測(cè)的數(shù)據(jù)。 測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，初次級(jí)間不加銅皮屏蔽漏感小。這應(yīng)是正常的吧。也可能是漏感加大的緣故，加了屏蔽后尖峰反而大了。5. 初次級(jí)間不加銅皮屏蔽漏感小，是正常的。所謂漏感是通過(guò)本線圈的磁力線沒有完

19、全通過(guò)另一線圈所產(chǎn)生的，增加銅皮屏蔽，相當(dāng)于線圈之間的耦合難度增大，故漏感增大，分布電容減少。 想減少尖峰，最好的辦法是減少變壓器漏感，其次是在MOS管漏極加磁珠，這樣都會(huì)減少損耗，還有就是無(wú)損吸收，最后就是用RCD這種有損吸收的方式。6. 是的,銅箔不是磁性材料,它只對(duì)電場(chǎng)起作用,對(duì)磁場(chǎng)而言,它和絕緣材料差不多. 網(wǎng)上有人這樣講: rcd的rc時(shí)間常數(shù)必須長(zhǎng)于開關(guān)周期，也就是rc震蕩頻率要小于開關(guān)頻率，這樣子防止在管子未開通前放電完畢而導(dǎo)致二極管再次開通，造成系統(tǒng)的震蕩.本人仔細(xì)分析了一下,這樣講有一定的道理, 但<開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南>P126里講RC時(shí)間常數(shù)等于第一個(gè)尖峰和第二個(gè)尖峰時(shí)間的3倍就夠了,這個(gè)我認(rèn)為有點(diǎn)錯(cuò), 因?yàn)橛腥酥v振蕩頻率是指第一個(gè)脈沖以后的，從圖上看基本差不多，第一個(gè)脈沖是漏感往C里面